全球交通用鋁合金技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究
——基于CiteSpace 知識(shí)圖譜分析

供稿|黃潔，倪誠(chéng)蔚，普康晶，楊晶媛 / HUANG Jie, NI Chengwei, PU Kangjing, YANG Jingyuan

內(nèi)容導(dǎo)讀

交通運(yùn)輸設(shè)備輕量化趨勢(shì)愈加明朗，而鋁合金因其多種優(yōu)良特性已成為實(shí)現(xiàn)輕量化交通的重要材料。本文通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，著重分析全球交通用鋁合金領(lǐng)域發(fā)文量、機(jī)構(gòu)、國(guó)家及關(guān)鍵詞等信息，繪制形成可視化網(wǎng)絡(luò)圖譜。結(jié)果顯示：研究主要集中在汽車和航空領(lǐng)域，包括鋁基復(fù)合材料和焊接技術(shù)；船舶用鋁合金的研究重點(diǎn)為鋁合金表面涂層；而軌道交通用鋁合金的研究數(shù)量相對(duì)較少，且與汽車、航空領(lǐng)域的文獻(xiàn)有較多交叉，表明其部分技術(shù)與汽車、航空用鋁合金具有通用性。

近年來(lái)，全球交通運(yùn)輸業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，由簡(jiǎn)易、單一模式轉(zhuǎn)向復(fù)雜、多元模式[1]。隨著能源需求與環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排及提高運(yùn)輸效率已成為交通運(yùn)輸業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。減輕交通工具自重是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的有效措施之一，在保障安全系數(shù)的基礎(chǔ)上，鋁材料在交通設(shè)備中的使用可比鋼鐵材料減輕自重30% 以上，這使其成為實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸輕量化的理想材料。交通用鋁合金主要包括車用鋁合金、航空用鋁合金、軌道交通用鋁合金及船舶用鋁合金等[2]。隨著鋁工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，鋁合金在交通運(yùn)輸業(yè)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

研究方法與研究數(shù)據(jù)源

研究數(shù)據(jù)篩選

交通用鋁合金領(lǐng)域知識(shí)譜繪制的數(shù)據(jù)獲取源于Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)核心合集SCI-EXPANDED、CPCI-S、CPCI-SSH、ESCI，采用主題檢索方法，檢索策略為：主題=(aluminum alloy and (Traffic or automobile or bodywork or ship or vessel or aviation or rail))，檢索時(shí)間范圍為2010-01-01—2021-06-01，共檢索到交通用鋁合金領(lǐng)域相關(guān)論文1932 篇，去除相關(guān)的綜述和報(bào)道，將數(shù)據(jù)集的范圍精煉到研究論文和會(huì)議論文，則交通用鋁合金領(lǐng)域相關(guān)論文數(shù)量為1851 篇。

研究方法

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)能根據(jù)文獻(xiàn)體系和文獻(xiàn)計(jì)量特征等參數(shù)，利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等定量方法對(duì)文獻(xiàn)的分布規(guī)律、數(shù)量關(guān)系和文獻(xiàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而揭示科學(xué)技術(shù)的某些規(guī)律、特征和結(jié)構(gòu)[3]。CiteSpace 知識(shí)圖譜能夠?qū)⒁粋€(gè)知識(shí)領(lǐng)域來(lái)龍去脈的演進(jìn)歷程集中展現(xiàn)在一幅引文網(wǎng)絡(luò)圖譜上，并把圖譜上作為知識(shí)基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)和共引聚類所表征的研究前沿自動(dòng)標(biāo)識(shí)出來(lái)，具有“一圖譜春秋，一覽無(wú)余；一圖勝萬(wàn)言，一目了然”兩大特征[4]。本研究通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，采用CiteSpace 軟件對(duì)Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中2010—2021 年有關(guān)交通用鋁合金技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)發(fā)文量、機(jī)構(gòu)、國(guó)家及關(guān)鍵詞等信息，繪制形成可視化網(wǎng)絡(luò)圖譜，梳理全球交通用鋁合金領(lǐng)域研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

分析與結(jié)果

論文基礎(chǔ)分析

檢索到交通用鋁合金領(lǐng)域論文1851 篇，論文共被引頻次為12069 次，平均每篇被引次數(shù)為6.52 次。從數(shù)據(jù)上來(lái)看（圖1 和圖2），近年來(lái)，針對(duì)交通用鋁合金的研究一直被業(yè)界關(guān)注。根據(jù)每年論文發(fā)表數(shù)量變化分析，2018 年論文發(fā)表同比增長(zhǎng)率最高，2019 年、2020 年同比增長(zhǎng)率較低，但這3 年的論文發(fā)表數(shù)在近十年間仍處于領(lǐng)先水平。每年的引文數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明業(yè)界對(duì)該領(lǐng)域保持著高昂的研究熱情，理論研究及成果轉(zhuǎn)化效果顯現(xiàn)，也說(shuō)明每年都有新技術(shù)涌現(xiàn)，不斷完善和豐富該領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容與成果，未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)較好。

圖1 2010—2021 年發(fā)表的論文量

圖2 2010—2021 年的引文量

對(duì)交通用鋁合金研究領(lǐng)域論文進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：2010—2021 年發(fā)文量排名前10 的國(guó)家分別是印度、中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本、德國(guó)、波蘭、俄羅斯、土耳其和英格蘭（見(jiàn)表1）。

表1 交通用鋁合金技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量排名前十的國(guó)家

研究排名前10 的機(jī)構(gòu)為：哈爾濱工業(yè)大學(xué)、印度國(guó)立理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院、安娜大學(xué)（印度）、印度理工學(xué)院、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、中南大學(xué)、北京科技大學(xué)和印度韋洛爾理工大學(xué)（見(jiàn)表2）。

表2 交通用鋁合金技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量排名前十的研究機(jī)構(gòu)

從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分析來(lái)看，印度和中國(guó)在交通用鋁合金領(lǐng)域的發(fā)文數(shù)量占比超過(guò)了總數(shù)的50%，研究排名前10 的機(jī)構(gòu)也多集中于中國(guó)和印度。中國(guó)是全球鋁主產(chǎn)國(guó)，對(duì)疫情的控制得當(dāng)，恢復(fù)生產(chǎn)迅速，而印度是亞洲除中國(guó)以外最大的鋁生產(chǎn)國(guó)家，國(guó)內(nèi)有三水鋁土礦資源，分布在奧利薩邦、安得拉邦、吉吉拉特邦等地區(qū)，且鋁工業(yè)上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)密切，擁有3 家大型的上市鋁企業(yè)集團(tuán)，分別是韋丹塔資源（Vedanta）、印度鋁工業(yè)公司（Hindalco）和印度國(guó)家鋁業(yè)公司（Nalco），這3 家公司在疫情封鎖時(shí)期，上中游業(yè)務(wù)幾乎都在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至有擴(kuò)張計(jì)劃[5]。因此，鋁工業(yè)領(lǐng)域中，中國(guó)和印度的交通用鋁合金的研究均相對(duì)比較集中。此外，美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等老牌工業(yè)強(qiáng)國(guó)在該領(lǐng)域的研究仍保持優(yōu)勢(shì)地位。

技術(shù)主題聚類分析

基于Web of Science 文獻(xiàn)引擎，使用CiteSpace對(duì)2010—2021 年區(qū)間內(nèi)搜索出的1851 篇交通用鋁合金領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，為了保證聚類結(jié)果明顯，盡可能地將數(shù)據(jù)集中的文獻(xiàn)納入分析范疇，將數(shù)據(jù)集分為11 個(gè)切片，以每1 年為一個(gè)切片，將交通用鋁合金領(lǐng)域文獻(xiàn)按被引次數(shù)排序，保留每年被引頻次最高的45 篇文獻(xiàn)（topN 45），進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類分析，以分析相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)的研究重點(diǎn)和演化過(guò)程，推測(cè)技術(shù)發(fā)展方向。

從技術(shù)主題聚類圖譜（圖3）中可以看出，所示的幾個(gè)大聚類分別為：#0 有限元模擬；#1 金屬基復(fù)合材料；#2 摩擦攪拌焊；#3 極限強(qiáng)度；#4 鑄壁厚度；#6 碳纖維增強(qiáng)鋁；#7 激光；#8 雙金屬擠壓；#9 元件（聚類標(biāo)簽編號(hào)越小，聚類技術(shù)主題涵蓋技術(shù)布局越完整）[6]。幾大聚類反應(yīng)出在2010—2021年間，交通用鋁合金的相關(guān)文獻(xiàn)主要研究及應(yīng)用的方向。

圖3 交通用鋁合金領(lǐng)域技術(shù)主題聚類

為分析技術(shù)的演化過(guò)程，在生成關(guān)鍵詞和主題詞共現(xiàn)聚類圖譜之后，將聚類編號(hào)作為Y軸，引文發(fā)表年份作為X軸，得到共現(xiàn)詞網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間線圖譜（圖4）。

圖4 交通用鋁合金領(lǐng)域技術(shù)演變時(shí)間圖譜

時(shí)間線圖譜，可以展現(xiàn)各個(gè)聚類（即子領(lǐng)域）發(fā)展演變的時(shí)間跨度和研究進(jìn)程。從圖4 可以看出，4 個(gè)聚類（#1 金屬基復(fù)合材料、#3 極限強(qiáng)度、#4 鑄壁厚度、#7 激光）的研究從2010 年一直持續(xù)到了2021 年；1 個(gè)聚類（#2 摩擦攪拌焊）研究持續(xù)到2020 年；1 個(gè)聚類（#0 有限元模擬）研究持續(xù)到2019 年，說(shuō)明這些技術(shù)一直是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。而聚類#9 元件研究、#8 雙金屬擠壓、#6 碳纖維增強(qiáng)鋁研究分別停止于2010 年、2014 年、2017 年，說(shuō)明業(yè)界對(duì)這些技術(shù)研究熱情減退，不再是該領(lǐng)域研究重點(diǎn)。關(guān)鍵詞的頻次（Frequency）、中心度（Centrality）在一定程度上能夠顯示該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。頻次表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，中心度表示一個(gè)關(guān)鍵詞連接另外兩個(gè)關(guān)鍵詞之間最短路線的次數(shù)，中心度越高，表示該關(guān)鍵詞越重要。對(duì)Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中交通用鋁合金領(lǐng)域文獻(xiàn)相關(guān)技術(shù)主題聚類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將技術(shù)點(diǎn)關(guān)鍵詞按中心度，從高到低的順序排列保留與交通用鋁合金領(lǐng)域關(guān)聯(lián)較大的技術(shù)點(diǎn)，得到表3。

表3 技術(shù)主題研究熱點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上表統(tǒng)計(jì)出的研究熱點(diǎn)分析，2010—2021年間，Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中，關(guān)于交通用鋁合金研究熱點(diǎn)主要集中在鋁合金及其復(fù)合材料焊接（1.金屬基復(fù)合材料、3.攪拌摩擦焊接、12.攪拌鑄造、19.粉末冶金、23.基體復(fù)合材料）、力學(xué)性能（2.機(jī)械性能、5.抗拉強(qiáng)度、6.回彈、8.數(shù)值模擬、9.有限元分析、10.擠壓、13.拉伸性能、14.摩擦）、微觀結(jié)構(gòu)（4.優(yōu)化、7.微觀結(jié)構(gòu)、17.成形性、20.石墨）、耐蝕性及表面處理（11.腐蝕、15.熱處理、16.圖層、18.電阻、21.表面處理、22.表面粗糙度）等方面。

研究現(xiàn)狀分析

結(jié)合共現(xiàn)詞網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)熱點(diǎn)關(guān)鍵詞分析近10 年交通用鋁合金相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，可分為以下4 類：

（1）汽車用鋁合金研究

汽車輕量化是全球汽車工業(yè)的發(fā)展方向，而鋁合金具有密度小、成形性好、耐腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑[7]。汽車用鋁基復(fù)合材料和鋁合金焊接技術(shù)優(yōu)化是該領(lǐng)域研究的兩個(gè)重點(diǎn)。汽車用鋁基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)主要包括：二硼化鋁鈦復(fù)合材料的制備、組織和力學(xué)性能研究；碳化硅增強(qiáng)鋁基納米復(fù)合材料研究；碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料拉伸性能研究；陶瓷粉末增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料力學(xué)性能研究；攪拌鑄造鋁基復(fù)合材料的硬度和磨損特性研究；攪拌鑄造石墨顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能研究等[8-13]。汽車用鋁合金焊接技術(shù)優(yōu)化的研究熱點(diǎn)主要包括：車用鋁與鋼的超聲波點(diǎn)焊研究；工藝參數(shù)對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響研究；攪拌摩擦焊（FSW）連接鋁和鎂合金研究；焊接時(shí)間對(duì)鋁-碳纖維增強(qiáng)塑料攪拌摩擦點(diǎn)焊疲勞性能的影響研究；異種鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數(shù)的建模與優(yōu)化研究等[14-18]。

（2）航空用鋁合金研究

在航空工業(yè)中，鋁材是首選的輕量化結(jié)構(gòu)材料，用量達(dá)到80%以上，其中常用的鋁合金為2xxx系和7xxx 系，廣泛應(yīng)用于航空飛行器結(jié)構(gòu)的制造，機(jī)身的蒙皮、框架、壁板、油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)和起落架等部件[19-20]。從發(fā)表的研究論文來(lái)看，航空用鋁基復(fù)合材料優(yōu)化和焊接改進(jìn)是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。航空用鋁基復(fù)合材料優(yōu)化的研究熱點(diǎn)包括：航空航天用鋁鋰基復(fù)合材料研究；7075 鋁基復(fù)合材料性能研究；TiB2顆粒的分布及其對(duì)A390 合金力學(xué)性能的影響研究；氮化鋁合金基復(fù)合材料合成及力學(xué)性能評(píng)價(jià)研究；B4C 和SiC 含量對(duì)航空用鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響研究等[21-25]。航空用焊接過(guò)程改進(jìn)的研究熱點(diǎn)包括：7050 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫溫度分布及力學(xué)性能的改善研究；無(wú)涂層激光沖擊強(qiáng)化對(duì)A6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的改善研究；新型鋁鋰合金光纖激光焊接組織與力學(xué)性能研究；鋁合金機(jī)身面板用雙面激光束焊接T 型接頭的工藝、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能研究；航空級(jí)鋁合金攪拌摩擦焊的熱循環(huán)、力學(xué)和冶金性能研究等[26-30]。

（3）軌道交通用鋁合金研究

軌道交通裝備輕量化是現(xiàn)代高速列車升級(jí)的必由之路。目前，各國(guó)的高速列車車體已基本采用鋁合金構(gòu)架。此外，車體頂蓋、齒輪箱箱體等諸多部件也已采用鋁材制造[31]。軌道交通用鋁合金焊接技術(shù)一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，其主要研究?jī)?nèi)容涉及：6005A-T4 鋁合金薄板攪拌摩擦焊接頭的組織與力學(xué)性能研究；不同形狀工具和工藝參數(shù)對(duì)6061 鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷和力學(xué)性能的影響研究；鋁夾層激光焊接力學(xué)性能研究等[32-34]。

（3）船舶用鋁合金研究

鋁合金除了具有密度低、比強(qiáng)度高、良好的加工及焊接性能成為造船工業(yè)很有發(fā)展前景的材料之外，其具有比鋼更優(yōu)異的耐腐蝕性能使其在船舶工業(yè)中成為主要結(jié)構(gòu)材料之一[2]。近10 年，船體材料選擇和船舶用鋁合金表面涂層是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。船體材料選擇研究熱點(diǎn)包括：SiC、Al2O3和赤泥增強(qiáng)6061 鋁合金基復(fù)合材料磨損行為的比較研究；陶瓷增強(qiáng)體對(duì)Al-Cu 合金-金屬基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響研究；船用鋁合金在海水中的力學(xué)和電化學(xué)特性研究等[35-37]。船舶用鋁合金表面涂層研究熱點(diǎn)包括：鋁合金保護(hù)用鎂基犧牲陽(yáng)極（富鎂底漆）的研制及其性能研究；船用Al5083 鋁合金超疏水涂層的空蝕行為研究；Al2O3氧化涂層用于鋁合金船體耐腐蝕性研究；WC-Co-Cr熱噴涂層對(duì)Ni-Al 青銅合金腐蝕性的影響研究；使用等離子體電解氧化(PEO)涂層鋁合金在海洋環(huán)境中的抗腐蝕性研究等[38-42]。

研究趨勢(shì)分析

為繼續(xù)分析本數(shù)據(jù)集中交通用鋁合金的研究熱點(diǎn)持續(xù)度，進(jìn)行了Burstness 分析，得到圖5。

圖5 交通用鋁合金領(lǐng)域技術(shù)點(diǎn)突變圖譜（陰影表示持續(xù)時(shí)間）

Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中，取Minimum Duration為3，得到23 個(gè)突變?cè)~（Keywoeds），表示交通用鋁合金研究領(lǐng)域熱度持續(xù)3 年以上的研究點(diǎn)有23 個(gè)，而近5 年的研究，主要集中于鋁合金的制造（Frabrication）、數(shù)學(xué)方差分析（Anova）和碳纖維增強(qiáng)鋁（Graphite）3 個(gè)方面，表明鋁合金和新型納米碳纖維結(jié)合，制造新型實(shí)用鋁合金復(fù)合材料已成為目前交通用鋁合金技術(shù)發(fā)展的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，以Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)核心合集為數(shù)據(jù)源，對(duì)全球交通用鋁合金領(lǐng)域的發(fā)文量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，在研究該領(lǐng)域技術(shù)整體發(fā)展態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，采用CiteSpace 軟件繪制形成交通用鋁合金領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)和研究熱點(diǎn)可視化網(wǎng)絡(luò)圖譜。綜上分析，交通用鋁合金的研究主要集中在汽車和航空領(lǐng)域，包括鋁基復(fù)合材料和焊接技術(shù)研究，以期提高鋁合金材料性能；船舶用鋁合金的研究重點(diǎn)為鋁合金表面涂層的研究，用以提高船體對(duì)海洋微腐蝕環(huán)境的耐受性；而軌道交通用鋁合金的研究數(shù)量相對(duì)較少，且與汽車、航空領(lǐng)域的文獻(xiàn)有較多交叉，表明其部分技術(shù)與汽車、航空用鋁合金具有通用性。

在“碳達(dá)峰”、“碳中和”指引下，我國(guó)力爭(zhēng)于2030 年前控制二氧化碳的排放達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，交通運(yùn)輸業(yè)是推動(dòng)節(jié)能減排的重要產(chǎn)業(yè)。而鋁合金材料作為交通工具輕量化的理想材料，可有效降低油耗、提高運(yùn)輸效率，對(duì)減輕環(huán)境污染有著重要意義。近年來(lái)，我國(guó)交通用鋁合金技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得了到迅速發(fā)展，論文發(fā)表數(shù)量及發(fā)文機(jī)構(gòu)占比，皆居世界前列。但與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鋁合金材料技術(shù)研發(fā)水平仍存在一定差距。因此，我國(guó)應(yīng)從國(guó)家層面加強(qiáng)宏觀指導(dǎo)，繼續(xù)加大鋁合金材料科研投入，積極開(kāi)展基礎(chǔ)研究及前沿研究，深化國(guó)際間科技合作與交流，加強(qiáng)人才培育與引進(jìn)，推動(dòng)我國(guó)交通用鋁合金材料高質(zhì)量發(fā)展。